高兆強(qiáng)

（中國船舶重工集團(tuán)公司第七一六研究所，江蘇 連云港 222002）

關(guān)鍵字：PTP; IEEE1588V2; 卡爾曼濾波；無線網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步

0 引言

移動設(shè)備間時(shí)間一致是各個移動設(shè)備協(xié)同工作的基礎(chǔ)，廣泛應(yīng)用在數(shù)據(jù)融合、節(jié)點(diǎn)定位、定時(shí)任務(wù)等場合，目前在移動無線網(wǎng)絡(luò)[1]，各個節(jié)點(diǎn)普遍采用衛(wèi)星授時(shí)的方式來獲取統(tǒng)一的時(shí)間，該方式技術(shù)成熟、精度高[2]，但是衛(wèi)星信號的接收容易受到環(huán)境的限制，比如在天氣不好或者室內(nèi)的情況下，往往無法接受到衛(wèi)星信號，并且衛(wèi)星信號容易受到干擾，可靠性不高，在軍事、航天等需要高可靠性的領(lǐng)域只采用衛(wèi)星授時(shí)的方式存在安全隱患[3]，因此急需一種基于無線網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間同步技術(shù)來填補(bǔ)衛(wèi)星授時(shí)的不足。

針對無線網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步，研究者們提出了眾多的時(shí)間同步技術(shù)，但是由于無線網(wǎng)絡(luò)的移動性、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)多變性、接入退出變化快等特點(diǎn)，使得眾多時(shí)間同步技術(shù)在無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中存在很大局限性[4]，比如：單向時(shí)間同步技術(shù)時(shí)間同步精度不高[5]，雙向時(shí)間同步技術(shù)收斂速度慢，無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下安全性低等[6]。本文在分析無線網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步存在困難的基礎(chǔ)上，結(jié)合時(shí)間同步領(lǐng)域的最新進(jìn)展，提出了一種基于IEEE1588V2（PTP）精確時(shí)間協(xié)議的新型無線網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步技術(shù)。

1 無線網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步與PTP 協(xié)議

1.1 無線網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步存在的難點(diǎn)

無線網(wǎng)絡(luò)與有線網(wǎng)絡(luò)相比存在網(wǎng)絡(luò)傳輸延時(shí)大，網(wǎng)絡(luò)傳輸延時(shí)抖動大，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)容易變化，節(jié)點(diǎn)頻率接入退出等特點(diǎn)，這使得單向無線授時(shí)方式精度不高，單向時(shí)間同步技術(shù)是時(shí)鐘源廣播發(fā)送時(shí)間戳報(bào)文，其他節(jié)點(diǎn)同步接收到時(shí)間報(bào)文后作為本地時(shí)間，由于無線網(wǎng)絡(luò)傳輸延遲大，這種時(shí)間同步精度不高[7]，比如IEEE802.11 使用的TSF 時(shí)間同步技術(shù)，其精度只有幾十毫秒到1 秒，無法滿足很多需要高精度時(shí)間同步的應(yīng)用。

雙向時(shí)間同步采用的是交互時(shí)間戳報(bào)文，其技術(shù)關(guān)鍵是精確測量出傳輸時(shí)延，從而根據(jù)時(shí)鐘源的時(shí)間矯正本地時(shí)間，無線網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延主要有：（1）發(fā)送時(shí)延:節(jié)點(diǎn)構(gòu)建同步報(bào)文并將報(bào)文遞交到 MAC 層所用的時(shí)間;（2）信道訪問時(shí)延:同步報(bào)文從檢測信道是否空閑到物理層開始發(fā)送報(bào)文所用的時(shí)間; 信道訪問延時(shí)隨機(jī)性較大，受當(dāng)前信道空閑度和網(wǎng)絡(luò)負(fù)載狀況的影響較大;（3）傳輸時(shí)延:發(fā)送節(jié)點(diǎn)通過天線向外傳輸同步報(bào)文所用的時(shí)間;（4）傳播時(shí)延:節(jié)點(diǎn)在媒介中從發(fā)送節(jié)點(diǎn)傳播至接收節(jié)點(diǎn)所用的時(shí)間;（5）接收時(shí)延:接收節(jié)點(diǎn)的物理層通過天線接收同步報(bào)文所用的時(shí)間;（6）處理時(shí)延:接收節(jié)點(diǎn)對報(bào)文進(jìn)行處理的時(shí)間[8]。除了隨機(jī)性較大的發(fā)送時(shí)延、信道訪問時(shí)延、處理時(shí)延外，傳輸過程中存在的噪聲經(jīng)常會在同步報(bào)文的時(shí)延中引入部分符合高斯或者指數(shù)分布的小時(shí)延。如何精確計(jì)算網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延是無線網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步技術(shù)的關(guān)鍵，互聯(lián)網(wǎng)上廣泛采用的NTP 時(shí)間同步技術(shù)在應(yīng)用層獲取時(shí)間戳，其傳輸時(shí)延包括了所有以上六種時(shí)延，由于含有三個變化比較大的發(fā)送時(shí)延、信道訪問時(shí)延、處理時(shí)延，所以其精度不高，只有毫秒到幾十毫秒。而PTP 則采用了硬件時(shí)間戳獲取MAC層時(shí)間戳，計(jì)算傳輸時(shí)延時(shí)只包含抖動比較小的傳輸時(shí)延，因此而能達(dá)到亞微米級的精度[9]。

1.2 PTP 精確時(shí)間同步協(xié)議

IEEE1588 協(xié)議又稱精確同步時(shí)鐘協(xié)議，即PTP（Precision Time Protocol）協(xié)議。PTP 系統(tǒng)是一個分布式的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，協(xié)議運(yùn)行的邏輯范圍稱為一個域。PTP 系統(tǒng)由一個或者多個PTP 子域組成。在一個PTP 系統(tǒng)中，時(shí)鐘源（Grandmaster clock）提供整個系統(tǒng)的時(shí)間源。實(shí)現(xiàn)協(xié)議只需要在原有的網(wǎng)絡(luò)上添加時(shí)間同步報(bào)文，這些報(bào)文只占用少量的網(wǎng)絡(luò)資源[10]。

PTP 同步技術(shù)主要是通過精確計(jì)算網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延，計(jì)算出從時(shí)鐘相對于主時(shí)鐘的時(shí)間偏差，然后調(diào)整本地時(shí)間與時(shí)鐘源的時(shí)間保持一致。具體流程如圖1 所示，主時(shí)鐘會定期發(fā)送帶有發(fā)送時(shí)間t1 的同步報(bào)文SYN，從時(shí)鐘接收到同步報(bào)文后記錄本地時(shí)間t2，然后馬上發(fā)送時(shí)延請求報(bào)文DELAYREQ，并記錄發(fā)送時(shí)間t3，主時(shí)鐘接收到延請求報(bào)文DELAYREQ 后記錄接收到的時(shí)間t4，然后發(fā)送時(shí)延請回應(yīng)報(bào)文DELAYRSP，這樣從時(shí)鐘會有四個時(shí)間戳，根據(jù)協(xié)議技術(shù)出單向時(shí)延和時(shí)間偏差。

圖1 PTP 時(shí)間同步過程

同步原理為公式1 和公式2 所示。

公式1 計(jì)算主從時(shí)鐘間的網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)間，公式2 計(jì)算主從時(shí)鐘的時(shí)間差，在實(shí)際情況中，兩次傳輸時(shí)間不是一樣的，兩者之間存在時(shí)間偏差，這個偏差稱為網(wǎng)絡(luò)傳輸抖動，PTP 時(shí)間同步精度是該偏差的一半。

2 無線時(shí)間同步算法

2.1 底層獲取時(shí)間戳

為了提供時(shí)間同步精度，首先需要消除網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的影響，需要更底層獲取時(shí)間，獲取時(shí)間的位置如圖2 所示。

圖2 時(shí)間戳獲取位置

更底層的時(shí)間獲取位置，可以消除協(xié)議棧抖動對時(shí)間同步精度的影響，經(jīng)過測試，在簡單的網(wǎng)絡(luò)中，C 處獲取時(shí)間，由于網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧對時(shí)間同步精度的影響，PTP 同步為幾百微秒到幾毫秒；B 處獲取時(shí)間，由于網(wǎng)絡(luò)硬件發(fā)送擁塞，PTP 時(shí)間同步精度為微秒到幾十微秒；借助硬件在A 處獲取時(shí)間，PTP 時(shí)間同步精度可以達(dá)到納秒級別。為了易于實(shí)現(xiàn)并且節(jié)約成本，本方法在B 處獲取時(shí)間，修改網(wǎng)卡的驅(qū)動，修改所有經(jīng)過PTP 時(shí)間端口的報(bào)文，在報(bào)文的特定位置增加時(shí)間信息。

2.2 對傳輸時(shí)延進(jìn)行濾波

移動網(wǎng)絡(luò)中移動節(jié)點(diǎn)一般都在無序地運(yùn)動，這使得網(wǎng)絡(luò)傳輸路徑時(shí)刻在變化，簡單平均來計(jì)算單向傳輸時(shí)延不準(zhǔn)確，它與實(shí)際的單向傳輸時(shí)延存在一個誤差，該誤差與移動節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動狀態(tài)有關(guān)，需要對計(jì)算出來的單向延時(shí)進(jìn)行濾波，根據(jù)文獻(xiàn)介紹在移動互聯(lián)局域網(wǎng)絡(luò)中，移動節(jié)點(diǎn)相對于主節(jié)點(diǎn)的相對運(yùn)動符合高斯白噪聲的特性，因此本文采用卡爾曼濾波的方式對傳輸時(shí)延進(jìn)行濾波，得到更接近真實(shí)值的單向時(shí)延。

在PTP 協(xié)議模型中，短時(shí)間內(nèi)單向時(shí)延是固定的，但是根據(jù)對移動網(wǎng)絡(luò)的分析，短時(shí)間內(nèi)單向時(shí)延是不斷變化的，存在或多或少的偏差，該偏差可以看作是高斯白噪聲。另外，根據(jù)PTP 模型，每隔一段時(shí)間會計(jì)算出一個單向時(shí)延，由于移動節(jié)點(diǎn)的移動性，該計(jì)算也是不準(zhǔn)確的，該偏差也可以看作是高斯白噪聲，現(xiàn)在可以根據(jù)單向時(shí)延的經(jīng)驗(yàn)值和測量值，以及它們各自的噪聲來估算出單向時(shí)延。

假如要估算k時(shí)刻的實(shí)際單向時(shí)延，首先需要根據(jù)k-1 時(shí)刻的單向時(shí)延，來預(yù)測k時(shí)刻的單向時(shí)延，因?yàn)楦鶕?jù)經(jīng)驗(yàn)其值是固定的，所以k時(shí)刻的單向時(shí)延為

上一次的誤差協(xié)方差Pk-1和過程噪聲Q預(yù)測新的誤差

過程噪聲Q根據(jù)節(jié)點(diǎn)的一段時(shí)間內(nèi)運(yùn)動狀態(tài)而定，是運(yùn)動速度累積的積分：

對應(yīng)單向時(shí)延的實(shí)際狀況：

計(jì)算卡爾曼濾波增益：

對應(yīng)于當(dāng)前模型：

2.3 修改時(shí)間修正邏輯

在IEEE1588v2 協(xié)議中約定，時(shí)間更新的頻率高于單向時(shí)延計(jì)算的頻率，這是基于穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境而設(shè)定的，對于移動網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)不停地運(yùn)動，導(dǎo)致單向時(shí)延是一個不斷變化的值，所以每次計(jì)算時(shí)間偏差必須基于最新的單向時(shí)延。其最新的時(shí)間修正過程如圖3 所示。

圖3 時(shí)間同步過程

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證該無線局域網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步技術(shù)的性能，本文設(shè)計(jì)了一個含有無線路由器的無線局域網(wǎng)絡(luò)，內(nèi)部含有不斷運(yùn)動的移動節(jié)點(diǎn)，作為時(shí)間從時(shí)鐘，一個原子鐘作為時(shí)間主時(shí)鐘，主時(shí)鐘通過衛(wèi)星授時(shí)來獲取精確的時(shí)間，并通過無線網(wǎng)絡(luò)利用PTP 協(xié)議給無線網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的子節(jié)點(diǎn)授時(shí)，子節(jié)點(diǎn)通過PTP 協(xié)議與主時(shí)鐘的時(shí)間保持一致，并且子節(jié)點(diǎn)上有一款硬件時(shí)鐘板，通過衛(wèi)星獲取時(shí)間，以便對比PTP 時(shí)間同步的精度，具體架構(gòu)圖如圖4 所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)構(gòu)

首先從時(shí)鐘采用標(biāo)準(zhǔn)的PTP 協(xié)議，在應(yīng)用層獲取時(shí)間戳，連續(xù)運(yùn)行6 個小時(shí)，通過硬件時(shí)鐘板記錄的時(shí)間作為對比，記錄時(shí)間偏差，如圖5 所示。

圖5 軟件時(shí)間戳PTP 時(shí)間同步精度

從圖5 可以看出，其偏差基本在300μs 以內(nèi)，標(biāo)準(zhǔn)差為59μs，這與無線網(wǎng)絡(luò)不忙、路由器性能較好有關(guān)，如果網(wǎng)絡(luò)繁忙，其同步精度只能在10ms以內(nèi)，并且由于協(xié)議棧的影響，網(wǎng)絡(luò)抖動比較大，時(shí)間偏差的抖動也比較大。

然后在從時(shí)鐘上采用驅(qū)動層時(shí)間戳的PTP 軟件，連續(xù)運(yùn)行一個小時(shí)，通過硬件時(shí)鐘板記錄的時(shí)間作為對比，記錄時(shí)間偏差，如圖6 所示。

圖6 驅(qū)動層時(shí)間戳PTP 時(shí)間同步精度

從圖中可以看出，通過在驅(qū)動層加時(shí)間戳，其偏差的穩(wěn)定性好了很多，但是由于移動的存在，使得通過平均計(jì)算出來的單向時(shí)延與實(shí)際值存在差異，這種差異通過濾波會得到一定的修正。

最后測試本文提出的無線時(shí)間同步算法的性能，在同樣的環(huán)境中，從時(shí)鐘運(yùn)行本文提出的時(shí)間同步方案，連續(xù)運(yùn)行一個小時(shí)，記錄時(shí)間偏差如圖7 所示。

圖7 最新算法的時(shí)間同步精度

從圖中可以看出，經(jīng)過濾波和對協(xié)議的改進(jìn)，時(shí)間同步的精度穩(wěn)定在10μs 以內(nèi)。

4 結(jié)語

本文首先分析了目前各種應(yīng)用場合對無線網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步技術(shù)的迫切需求，以及無線時(shí)間同步技術(shù)存在的種種困難，提出了基于IEEE1588V2 精確時(shí)間協(xié)議的無線時(shí)間同步技術(shù)，根據(jù)無線時(shí)間同步的困難和特點(diǎn)，采用底層的時(shí)間戳，單向時(shí)延卡爾曼濾波，以及修改協(xié)議棧的方式，改進(jìn)PTP 時(shí)間協(xié)議使其適應(yīng)無線網(wǎng)絡(luò)，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，證明該方案的時(shí)間同步精度可以達(dá)到優(yōu)于10μs，可以滿足絕大部分無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用場景。